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恒溫恒濕空調(diào)智能控制策略論文
【摘要】精密儀器實(shí)驗(yàn)室、紡織車間和卷煙廠等場所對(duì)環(huán)境溫濕度控制精度的要求非常高，一般要求溫度控制精度達(dá)到±0.2℃，濕度控制精度達(dá)到±2%，而傳統(tǒng)的恒溫恒濕空調(diào)控制方式很難達(dá)到這些要求。論文提出一種新型的高精度恒溫恒濕空調(diào)智能控制方式，以滿足這些場所對(duì)建筑環(huán)境溫濕度的高精度需求。
【關(guān)鍵詞】智能控制；高精度；恒溫恒濕
1傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)控制現(xiàn)狀
傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)通常由以下器件組成：定頻壓縮機(jī)、多級(jí)電加熱、電極式加濕器、除濕電磁閥、熱力膨脹閥、AC風(fēng)機(jī)和低精度溫濕度傳感器，器件均采用啟�？刂频姆绞�，其控制的溫濕度波動(dòng)較大，通常溫度控制精度為±2℃，濕度控制精度為±5%，其控制策略如下：
1）制冷當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，開啟定頻壓縮機(jī)制冷對(duì)環(huán)境進(jìn)行降溫；當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，壓縮機(jī)關(guān)閉。
2）加熱當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，開啟電加熱制熱；當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，電加熱關(guān)閉。電加熱采用分級(jí)控制的方式，電加熱匹配量為制冷量的60%。
3）除濕當(dāng)室內(nèi)環(huán)境濕度高于設(shè)定濕度時(shí)，壓縮機(jī)運(yùn)行，并開啟除濕電磁閥除濕；當(dāng)室內(nèi)環(huán)境濕度達(dá)到設(shè)定濕度時(shí)，除濕電磁閥關(guān)閉。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境濕度高于設(shè)定濕度，且室內(nèi)環(huán)境溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，壓縮機(jī)持續(xù)運(yùn)行對(duì)環(huán)境進(jìn)行制冷除濕，同時(shí)電加熱分級(jí)投入，保證環(huán)境溫度不會(huì)降至太低。
4）加濕當(dāng)室內(nèi)環(huán)境濕度低于設(shè)定濕度時(shí)，開啟電極式加濕器加濕；當(dāng)室內(nèi)環(huán)境濕度達(dá)到設(shè)定濕度時(shí)，電極式加濕器關(guān)閉。加濕器采用啟�？刂�，濕度控制參數(shù)采用相對(duì)濕度控制。
2傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)控制的缺點(diǎn)
1）壓縮機(jī)、電加熱和加濕器均采用啟�？刂�，導(dǎo)致控制精度低。對(duì)于所有啟�？刂频钠骷陂_啟和停止時(shí)，其輸出均具有滯后的慣性。例如，給定一個(gè)持續(xù)散熱的環(huán)境，空調(diào)設(shè)定溫度為24℃，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)，壓縮機(jī)開啟到系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定需要5～10min，在壓縮機(jī)開啟過程中，環(huán)境溫度持續(xù)升高至26℃左右，此時(shí)，制冷系統(tǒng)輸出最大制冷量，環(huán)境溫度開始持續(xù)降低[1]。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到23℃時(shí)，壓縮機(jī)關(guān)閉，由于制冷系統(tǒng)的冷量慣性，環(huán)境溫度持續(xù)降低，最小低至22℃，溫度控制精度為±2℃。不能通過降低開啟溫度和提高停止溫度來達(dá)到提高空調(diào)設(shè)備的控制精度是因?yàn)轭l繁啟停會(huì)嚴(yán)重影響壓縮機(jī)壽命，一般要求壓縮機(jī)最小運(yùn)行時(shí)間為3min，最小停機(jī)時(shí)間為5min，因此，空調(diào)的啟停溫差控制在2℃已經(jīng)是極限。同樣的問題出現(xiàn)在電加熱和加濕器啟停控制上，加熱器和加濕器從關(guān)閉到開啟狀態(tài)需要預(yù)熱；加熱器和加濕器關(guān)閉后，會(huì)慣性輸出一定的熱量和濕量，而通過縮短啟停時(shí)間來實(shí)現(xiàn)控制精度的提高，將導(dǎo)致器件壽命嚴(yán)重縮短。因此，在啟�？刂撇呗韵拢h(huán)境溫濕度波動(dòng)較大，通常溫度控制精度為±2℃，濕度控制精度為±5%。
2）對(duì)于無熱源的低溫高濕環(huán)境，傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)穩(wěn)定周期更長且除濕效果差。傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)在無熱源的環(huán)境中將面臨更大的挑戰(zhàn)，例如，在無熱源的低溫高濕環(huán)境下（江南地區(qū)梅雨季節(jié)氣候條件下），環(huán)境溫濕度為20℃、RH70%，設(shè)定溫濕度為24℃、RH50%，要達(dá)到設(shè)定溫濕度，空調(diào)機(jī)組需要制冷除濕，并利用輔助電加熱給環(huán)境補(bǔ)償熱。而傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)的電加熱匹配量為壓縮機(jī)制冷量的60%，低溫壓縮機(jī)停止溫度為18℃，在實(shí)際運(yùn)行過程中，空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)為電加熱開啟，壓縮機(jī)運(yùn)行，并進(jìn)行除濕加熱。由于電加熱量小于制冷量，環(huán)境溫度會(huì)迅速降低至壓縮機(jī)停止溫度點(diǎn)。此時(shí)，壓縮機(jī)停止運(yùn)行，電加熱補(bǔ)償熱量。當(dāng)環(huán)境溫度升高至20℃時(shí)，壓縮機(jī)再次開啟。如此反復(fù)循環(huán)，直至濕度達(dá)到設(shè)定要求后，再由電加熱補(bǔ)償?shù)皆O(shè)定溫度點(diǎn)。環(huán)境溫濕度穩(wěn)定的周期非常長，且溫濕度精度比常規(guī)環(huán)境更差。
3）濕度控制參數(shù)采用相對(duì)濕度控制，導(dǎo)致耗能。對(duì)于密閉的環(huán)境，隨著溫度的變化，相對(duì)濕度將不斷變化，但空氣中水蒸氣的含量不變，即空氣含濕量不變。例如，環(huán)境溫濕度為23℃、RH45%，其絕對(duì)含濕量為10.47g/kg，設(shè)定溫濕度為24℃、RH50%，其絕對(duì)含濕量為9.41g/kg。若采用相對(duì)濕度控制，則控制邏輯應(yīng)為制熱加濕；若采用絕對(duì)濕度控制，則控制邏輯應(yīng)為制熱除濕。這種情況下，采用相對(duì)濕度控制將會(huì)導(dǎo)致過度加濕。
3高精度恒溫恒濕空調(diào)智能控制策略
針對(duì)傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)控制的缺點(diǎn)，提出一種新型的高精度恒溫恒濕空調(diào)智能控制策略，其主要器件組成如下：直流變頻壓縮機(jī)、SCR電加熱、SCR加濕器、除濕電磁閥、電子膨脹閥、EC風(fēng)機(jī)和高精度溫濕度傳感器[2]。溫濕度的控制不再單純采用偏差算法，而是采用精確的百分比需求和PID控制相結(jié)合的算法，其控制的溫濕度范圍波動(dòng)非常小，通常溫度控制精度可達(dá)±0.2℃，濕度控制精度可達(dá)±2%，控制策略如下：
1）溫濕度目標(biāo)需求算法需求＝[(檢測(cè)值－設(shè)定值)/精度]×100%。
2）帶限值的PID算法利用溫濕度檢測(cè)值與設(shè)定值偏差的比例積分微分進(jìn)行反饋控制，通過P（比例）算法控制溫濕度偏差，I（積分）算法控制溫濕度變化時(shí)間長度，D（微分）算法控制溫濕度變化的速率，表達(dá)式如下：式中，u(k)為第k次采樣時(shí)刻的溫度（濕度）控制輸出（帶限值）；uP(k)為第k次采樣時(shí)刻的P作用（帶限值）；uI(k)為第k次采樣時(shí)刻的I作用（帶限值）；uD(k)為第k次采樣時(shí)刻的D作用（帶限值）；e(k)為第k次采樣時(shí)刻的溫度（濕度）偏差；T為采樣周期；Ti為溫度（濕度）積分參數(shù)；e(j)為第1次到第k次采樣時(shí)刻的溫度（濕度）偏差；TD為溫度（濕度）微分參數(shù)；e(k-1)為第k-1次采樣時(shí)刻的溫度（濕度）偏差。
3）變?nèi)萘恐评錇榻鉀Q壓縮機(jī)啟停帶來的溫濕度慣性，壓縮機(jī)初始以20%的頻率運(yùn)行，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境制冷量需求變化時(shí)，根據(jù)目標(biāo)需求和PID控制算法，壓縮機(jī)升頻或降頻至計(jì)算頻率，同時(shí)改變EC風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，線性調(diào)節(jié)風(fēng)量，壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)配合輸出精確的冷量。
4）無級(jí)調(diào)節(jié)加熱為解決電加熱啟停帶來的溫濕度慣性，SCR電加熱初始以30%的熱量輸出。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境制熱量需求變化時(shí)，根據(jù)PID控制算法，SCR可控硅電加熱無級(jí)調(diào)節(jié)輸出精確的加熱量。
5）無級(jí)調(diào)節(jié)加濕為解決加濕器啟停帶來的溫濕度慣性，加濕器保持預(yù)熱狀態(tài)。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境濕度需求變化時(shí)，根據(jù)PID控制算法，SCR可控硅加濕器無級(jí)調(diào)節(jié)輸出精確的加熱量。
6）Fuzzy-PID除濕除濕控制采用Fuzzy-PID復(fù)合控制算法，即將模糊控制與PID控制算法相結(jié)合，在濕度偏差較大時(shí)采用模糊控制算法，即室內(nèi)環(huán)境濕度遠(yuǎn)高于設(shè)定濕度時(shí)，壓縮機(jī)保持當(dāng)前頻率運(yùn)行，開啟除濕電磁閥除濕；在濕度偏差較小時(shí)采用PID控制算法，通過電子膨脹閥調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度，進(jìn)而調(diào)節(jié)除濕量。
7）濕度控制濕度控制參數(shù)采用絕對(duì)含濕量控制。高精度恒溫恒濕空調(diào)智能控制策略耦合關(guān)系如圖1所示。
4高精度恒溫恒濕空調(diào)智能控制方式的優(yōu)勢(shì)
1）變頻壓縮機(jī)和無級(jí)調(diào)節(jié)的電加熱、加濕器可有效消除溫濕度控制的慣性。例如，給定一個(gè)持續(xù)散熱的環(huán)境，空調(diào)設(shè)定溫度為24℃，環(huán)境溫度為25℃，此時(shí)，變頻壓縮機(jī)以50Hz的頻率運(yùn)行對(duì)環(huán)境進(jìn)行降溫，當(dāng)環(huán)境溫度變?yōu)?4.5℃時(shí)，壓縮機(jī)頻率降低為35Hz，當(dāng)環(huán)境溫度變?yōu)?4.0℃時(shí)，壓縮機(jī)頻率降至最低頻率20Hz。此時(shí)，SCR電加熱輸出30%，SCR電加熱量與制冷量基本持平，環(huán)境維持在恒定的24.0℃。若熱負(fù)荷變大，則壓縮機(jī)升頻，從而輸出更大的制冷量，配合SCR電加熱，環(huán)境溫度可長期維持在恒定的24.0℃。若熱負(fù)荷變小，則壓縮機(jī)維持20Hz頻率，SCR電加熱加大熱量的輸出，環(huán)境溫度也可長期維持在恒定的24.0℃。當(dāng)溫度變化0.1℃時(shí)，變頻壓縮機(jī)頻率隨即發(fā)生變化，其響應(yīng)速度及精度遠(yuǎn)高于定頻壓縮機(jī)。通常溫度控制精度可達(dá)±0.2℃，同理，對(duì)于濕度控制，SCR加濕器配合除濕電磁閥工作，濕度變化0.5%時(shí)，加濕器輸出量和除濕電磁閥隨即發(fā)生動(dòng)作，可把濕度精度穩(wěn)定地控制在±2%。
2）在無熱源的低溫高濕環(huán)境，除濕迅速。除濕和加熱同時(shí)運(yùn)行可大大縮短環(huán)境穩(wěn)定的時(shí)間。例如，在無熱源的低溫高濕環(huán)境下（江南地區(qū)梅雨季節(jié)），環(huán)境溫濕度為20℃、RH70%，設(shè)定溫濕度為24℃、RH50%，為達(dá)到設(shè)定的溫濕度，變頻壓縮機(jī)按照除濕頻率恒定輸出60Hz，同時(shí)除濕電磁閥打開，電加熱輸出70%，電加熱輸出熱量大于60Hz壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的制冷量。在除濕的同時(shí)，室內(nèi)溫度穩(wěn)步上升，達(dá)到設(shè)定值[3]。
3）濕度控制參數(shù)采用絕對(duì)含濕量控制，避免了過度加濕和除濕。溫濕度控制對(duì)比曲線如圖2所示。
5應(yīng)用實(shí)例
浙江某精密儀器實(shí)驗(yàn)室使用普通恒溫恒濕空調(diào)，室內(nèi)溫度始終偏低，濕度始終過高，無法達(dá)到設(shè)定的需求，在引入高精度恒溫恒濕智能空調(diào)系統(tǒng)后，通過調(diào)整PID算法參數(shù)和溫濕度偏差閾值等，即使室外為陰雨連綿的天氣，室內(nèi)濕度也可控制在±2%，溫度控制在±0.3℃，建設(shè)了長期以來所期望的理想實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。
6結(jié)語
高精度恒溫恒濕智能空調(diào)系統(tǒng)的主要器件有直流變頻壓縮機(jī)、SCR電加熱、SCR加濕器、除濕電磁閥、電子膨脹閥、EC風(fēng)機(jī)和高精度溫濕度傳感器。高精度恒溫恒濕空調(diào)智能控制策略有目標(biāo)需求算法和PID計(jì)算制冷量輸出、PID計(jì)算加熱量輸出、PID計(jì)算加濕量輸出、Fuzzy-PID計(jì)算除濕量以及濕度參數(shù)采用絕對(duì)含濕量控制。
參考文獻(xiàn)
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